MT综述：从材料创新到系统集成：高能量密度锂金属电池的产业化路线-山东化工网

MT综述：从材料创新到系统集成：高能量密度锂金属电池的产业化路线

文章来源：新能源网更新时间：2025-12-19 16:21:54

【研究背景】

随着电动汽车续航里程需求突破1000公里、电动航空器能量密度要求达到700 Wh kg^-1，传统锂离子电池的能量密度极限（约350 Wh kg^-1）已成为制约高端装备发展的核心瓶颈。锂金属电池因负极理论容量高达3860 mAh g^-1而被视为下一代储能技术，但其产业化面临三重挑战：高容量正极材料结构失稳、锂枝晶生长引发的安全隐患，以及厚电极制备中的传输动力学限制。尤其在高面容量（>20 mAh cm^-2）条件下，电极内部离子迁移路径延长、活性物质利用率骤降，导致实际能量密度远低于理论值。

【成果简介】

东南大学吴宇平教授团队联合天目湖储能研究院，在《Materials Today》上发表了题为“From materials innovation to system engineering: A roadmap for high-energy-density lithium metal batteries ”的综述文章，系统提出通过正比容量（QAM）、工作电压（VAM）、活性物质占比（RAM）三大参数的协同优化，构建了从材料创新到电芯集成的全链条技术路径。研究指出，通过将正极面载量提升至60 mg cm^-2并采用无负极设计，锂金属电池能量密度可突破486 Wh kg^-1，较传统体系提升135%。文章进一步分析了安时级软包电池中实现>350 Wh kg^-1能量密度的可行性，为产业化提供了明确的技术对标。

【研究内容】

高能量密度锂金属电池的全链条技术攻坚

实现超高能量密度锂金属电池的目标，需要从材料本征特性到系统集成工程的协同突破。本综述以能量密度理论公式为核心框架，系统解构了三大关键参数（QAM, VAM, RAM）的提升路径及其背后的科学问题与技术挑战。

1. 能量密度提升的理论框架与多重挑战

锂金属电池的实际能量密度并非由单一材料决定，而是一个涉及正极、负极及所有非活性组件的复杂系统函数。其理论计算公式清晰地表明，能量密度与正极活性材料的比容量（QAM）、工作电压（VAM）及其在电芯中的质量占比（RAM）成正比。这为技术发展指明了三大方向，但每个方向的推进都伴随着严峻的挑战。例如，单纯追求高比容量材料往往会引发结构退化与安全隐患；而提高工作电压则会加剧电解质分解；增加活性物质占比则面临离子传输动力学的限制。如何协同优化这三个常常相互矛盾的参数，是实现能量密度飞跃的关键。该理论模型为后续从材料创新到系统工程的讨论奠定了定量分析的基础，揭示了高性能电池开发中固有的权衡关系。

2. 高比容量（QAM）正极：突破容量极限与稳定性的博弈

提升正极材料的比容量是提高电池能量密度最直接的途径，然而，各类高容量正极材料均面临其独特的失效机制。对于最具代表性的富镍集层状氧化物（Ni-rich NCM），其核心问题在于随着镍含量提升至90%甚至更高，容量虽能显著增加，但晶格稳定性急剧下降。在深度脱锂状态下，材料内部会发生从层状结构向岩盐相的有害相变，并伴随晶格氧的释放，这不仅导致容量衰减，更会引发严重的热失控风险。另一方面，富锂锰基（LRM）正极虽然能通过阴离子（氧）和阳离子（过渡金属）的协同氧化还原反应提供超过250 mAh g^-1的高容量，但其核心科学问题——氧氧化还原反应的可逆性与产物调控——至今仍是争论的焦点。究竟是形成O-O二聚体，还是产生稳定的单原子氧化物种，这一机制的不明确严重阻碍了材料的理性设计。

针对上述问题，研究界提出了多尺度的稳定性策略。对于Ni-rich正极，体相掺杂（如Al, Mg, Ti, Nb等）是稳定晶体骨架的有效手段。这些掺杂元素可以抑制相变，减缓微裂纹扩展。同时，表面包覆（如LiF、Li_xAl_yZn₂O₈等）则能构筑物理屏障，减少电极与电解液的副反应。对于LRM正极，创新性的电解质工程，如剔除极性的碳酸乙烯酯（EC），被证明可以抑制表面氧流失，并引导其重构为更稳定的尖晶石或岩盐相界面。此外，有机正极和转化型正极（如FeF₃, S）虽然理论容量极高，但分别面临溶解流失和反应动力学缓慢的难题。应对策略包括将有机分子聚合化、与碳纳米管复合以提升导电性，以及为硫正极设计具有催化活性的宿主材料来锚定多硫化物并加速转化。

尽管取得了显著进展，高容量正极仍面临严峻挑战。首先，对氧氧化还原等复杂反应机制的基础科学认知仍需深化，需要更先进的原位表征技术。其次，许多在实验室小电池中验证有效的策略（如复杂的表面包覆），在放大制备时面临成本和工艺可行性的巨大挑战。最后，高容量材料通常需要在高电压下工作，这与电解质的电化学稳定窗口形成了直接矛盾，使得界面稳定性问题更加突出。

3. 高电压（VAM）运行：界面稳定性与电解质设计的攻坚

提升电池的工作电压是提高能量密度的另一关键杠杆，但这也将电池系统推向了其热力学稳定性的边缘。其主要问题在于，当充电电压超过4.5 V（相对于Li⁺/Li）时，常规的碳酸酯类电解质会发生剧烈的氧化分解，在正极表面形成不稳定且过厚的阴极电解质界面膜（CEI），导致界面阻抗激增和活性锂的持续消耗。同时，高压下正极材料本体，尤其是Ni-rich和LRM材料，其晶格结构承受巨大应力，过渡金属溶解加剧，这些溶解的金属离子会迁移至负极侧，破坏固态电解质界面膜（SEI），形成恶性循环。

为应对高压挑战，策略主要集中在高压电解质配方和正极界面强化上。在电解质方面，采用高浓度锂盐、氟化溶剂以及新型添加剂（如二氟草酸硼酸锂LiDFOB），可以显著拓宽电解液的氧化电位窗口。这些组分能在正极表面优先氧化，形成一层薄而致密、富含LiF和硼氧烷的稳定CEI膜，有效抑制后续分解。在正极材料本身，构筑人工界面层是另一有效途径。例如，在颗粒表面包覆一层快离子导体（如LiTaO₃）或电子绝缘但离子导通的纳米涂层（如TiNb₂O₇），可以物理隔离电解液的同时保证锂离子顺畅传输。将体相掺杂与表面包覆结合的“核-壳”结构设计，则能实现内外兼修的保护效果。

高电压操作面临的持续挑战在于多重需求的平衡。首先，高压电解质与锂金属负极的兼容性是一大难题，许多耐高压溶剂对锂金属不稳定，需要复杂的配方设计来同时稳定正负极。其次，在全固态电池中，高压正极与固态电解质之间的固-固界面接触和潜在的界面反应问题更为复杂，对界面工程提出了极致的要求。最后，从实验室的扣式电池走向安时级的软包电池，高压下的产气行为和长周期循环寿命仍然是产业化道路上需要持续攻克的堡垒。

4. 高活性物质占比（RAM）设计：厚电极与无负极架构的传输与界面难题

在优化材料本征性能（QAM, VAM）之后，提高活性物质在电芯中的占比（RAM）成为决定最终能量密度的工程决胜点。提升RAM主要通过两个途径：增加电极面载量（厚电极）和采用无负极设计。然而，厚电极面临的核心问题是随着厚度增加，离子在电极孔隙内的传输路径显著延长，导致浓差极化增大，在高倍率下容量发挥急剧下降，且电极容易开裂。而无负极设计虽能最大化能量密度，但其根本性难题在于锂金属在无锂源缓冲的裸集流体（如铜箔）上的沉积/剥离行为极难控制，倾向于形成枝晶和“死锂”，导致库伦效率低下和循环快速失效。

针对厚电极的传输限制，创新的电极结构工程是解决之道。通过设计低曲折度的3D电极（如垂直排列的孔道或梯度孔道结构），可以为离子传输创建“高速公路”，有效降低极化。干法电极技术则从制造工艺上避免了溶剂干燥导致的组分迁移，可实现更高的固含量和更均匀的导电网络。对于无负极体系的界面难题，研究重点在于集流体表面改性和电解质调控。例如，在铜集流体上构筑亲锂性的Ag、Sn纳米颗粒层，可以显著降低锂的成核过电位，引导均匀沉积。设计特殊的电解液，使其能形成具有高离子电导率和机械强度的SEI膜（如富含LiF、有机锂化合物的SEI），对于抑制枝晶和减少“死锂”至关重要。

高RAM设计面临的挑战极具现实性。厚电极的规模化生产工艺（如涂布、干燥和辊压）对均匀性和良率要求极高，任何缺陷都会被放大。对于无负极电池，初始锂库存的不可逆消耗是致命伤，如何通过高效、安全且低成本的预锂化技术进行补偿，是走向应用必须跨越的障碍。此外，无论是厚电极还是无负极设计，都对电解质的量极其敏感，在贫电解液条件下维持长期稳定性，是对电解质化学的终极考验之一。

5. 安时级软包电池的集成验证：从实验室创新到产业化的桥梁

最终，所有材料和界面的创新都必须通过安时级软包电池的验证，这是衡量技术实用性的关键标尺。在此层面上，问题从单一组件性能转向系统集成优化，核心矛盾包括电解质用量限制、界面接触均匀性、锂库存管理以及本征安全性。实验室中在过量电解液和锂源下表现优异的策略，在严格模拟实际条件的软包电池中（如低电解液用量、低N/P比）往往难以复现。

成功的集成策略体现了多环节的协同。在正极侧，对高容量Ni-rich正极采用金属有机框架（MOF）衍生涂层进行保护，可同时抑制微裂纹和过渡金属溶解。在电解质方面，使用不可燃的离子液体电解质或添加具有界面调控功能的添加剂（如五氟苯乙烯），能同步提升CEI/SEI的稳定性和电池的热安全性。对于锂金属负极，采用3D锂合金骨架或通过电解质工程诱导形成均匀的SEI层，是稳定循环的关键。报道的成功案例显示，通过上述协同设计，采用NCM811或SPAN（硫化聚丙烯腈）正极的软包电池，其能量密度已可突破400 Wh kg^-1，甚至达到500 Wh kg^-1以上，并实现百余次的稳定循环。

安时级软包电池的挑战在于将实验室性能转化为产业现实。循环一致性和寿命离商业化要求（通常需1000次以上）仍有差距。成本控制是另一个巨大挑战，许多高性能材料（如复杂的电解质添加剂、纳米包覆层）的规模化生产成本高昂。更重要的是安全性验证，软包电池需要通过更严苛的滥用测试（如针刺、过充、热箱），这要求材料体系具备本征的安全特性，而不仅仅是高的能量密度。

【文献总结】

本综述通过多尺度协同设计，明晰了高能量密度锂金属电池的技术路径：在材料层面，需理清氧化还原机制并开发界面自愈合技术；在系统层面，需突破厚电极制备与无负极架构的工程瓶颈。未来，通过人工智能辅助的电池管理算法和闭环回收技术，锂金属电池有望在电动航空、长续航电动车等领域实现商业化落地。

【文献信息】

标题：From materials innovation to system engineering: A roadmap for high-energy-density lithium metal batteries

期刊：Materials Today

时间：2025年

链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.11.017

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